某水庫泄水隧洞深基坑開挖施工中隔離墻的作用

楊寧

（山西省晉中市水利建筑工程總公司，山西 晉中 030600）

1 工程概況

某水庫工程始建于2019 年，其泄水隧洞位于水庫大壩右岸，隧洞入口與壩腳相距198 m，泄水隧洞設計長度521.47 m，屬于Ⅰ級建筑物。該泄水隧洞于2019年9月完成基坑開挖，隨即進行了進出口閘門和啟閉機安裝，其進口事故檢修閘門采用潛孔式平面定輪鋼閘門，而出口工作閘門采用弧形鋼閘門。泄洪形式為泄水隧洞和溢洪道聯合泄洪，汛限水位按照96.40 m設計，出口工作閘門擋水位98.80 m。該泄水隧洞工期緊張，開挖分上下兩部分進行，開挖量分別為9.40萬m3和14.70萬m3。該隧洞開挖施工必將對水庫既有建筑物造成不利擾動和影響，為此，必須在開挖期間采取有效保護措施。

2 隔離墻作用模擬

2.1 模型構建

該水庫泄水隧洞深基坑開挖施工對水工隧洞位移的影響具體見圖1，從圖中可以看出，d=1.20 m的地連墻和d=0.80 m的隔斷墻兩部分共同構成隔離墻結構，連接兩者的主要是直徑1 m的連系墻；水工隧洞設計直徑6 m，地層結構從上至下依次為雜填土層、粉土層、粉質黏土層、粉細砂土層、砂巖層，土層物理力學參數具體見表1。為進行隔離墻建設前后對水工隧洞位移可能影響的分析，還應在水工隧洞四周設置位移監測點。

表1 土層物理力學參數表

圖1 水工隧洞深基坑開挖模型剖面圖

基于以上調查，應用MIDAS有限元分析軟件構建隔離墻對水工隧洞深基坑開挖可能影響的三維有限元模型，具體見圖2，共包括22 348個單元和15 183個節點。考慮到基坑實際尺寸過大，為防止出現模型邊界效應，根據Saint Venant’s Principle，應按照基坑開挖深度的3～6倍確定模擬邊界。泄水隧洞襯砌及隔離墻結構均使用C35 混凝土材料，隔離墻設計厚度0.80 m。所構建的有限元模型在基坑開挖次序、開挖深度、隔離墻結構及土層分布等方面與圖1基本一致，以該模型為依托進行隔離墻設置前后，深基坑開挖施工對水工隧洞位移影響的分析。

圖2 三維有限元模型圖

2.2 模擬步驟

在構建起該水庫泄水隧洞深基坑開挖及隔離墻分析模型后施加重力荷載，并確定邊界約束條件，通過勾選位移清零后得出初始應力場；在此基礎上進行水工隧道深基坑開挖過程模擬，勾選位移清零以忽略深基坑開挖施工前水工隧洞變形。施工隔離墻，依次按照設計深度設置第一道支撐，開挖第一層土，設置第二道支撐，再開挖第二層土，并最終開挖至基坑底部，施作基坑底板和支護錨桿。

3 結果與分析

在該泄水隧洞深基坑開挖施工前在隧洞拱頂布置測點，展開原位測試。該水工隧洞起點和終點里程分別為K14+460和K14+555，按照10 m間隔在隧洞拱頂共布設9個測點。

3.1 對土體的保護作用

隔離墻建設后對水庫泄水隧洞四周土體橫向位移、縱向沉降位移等均存在一定程度的影響。通過分析發現，在隔離墻建成前后不同埋深下的土體表現出基本一致的橫向位移，且隨著土層埋深的持續增大，橫向位移先增大后減小；隔離墻建成后不同埋深范圍內的土體橫向位移均勻程度顯著提升，且橫向位移最大值出現在15 m 埋深處，隔離墻建設前后周圍土體橫向位移最大值分別為5.54 mm 和3.78 mm，隔離墻建成后使周圍土體位移平均降低24.9%，也說明隔離墻對周圍土體橫向位移具有明顯的抑制和保護作用。見圖3（a）。

此外，周圍土體豎向沉降隨著橫向距離的增大而先增后降，最后趨于1.29 mm 的穩定值，而未設置隔離墻情況下穩定后的沉降值為1.53 mm。通過分析發現，隔離墻設置后能使水工隧洞深基坑開挖過程中土體橫縱向位移明顯降低，起到有效的土體保護作用。見圖3（b）。

圖3 隔離墻建成前后隧洞周圍土體位移圖

3.2 對水工隧洞的保護作用

根據對隔離墻設置前后水工隧洞橫縱向位移情況的比較分析得出，隔離墻設置后隧洞不同部位水平位移均比不設置隔離墻時低，且由于隧洞左側臨近基坑開挖施工區域，故左側位移明顯比右側高，而隧洞頂底部位移大致呈對稱形式。隔離墻建成前水工隧洞左右側及底部z向位移明顯比建成后大，這也說明隔離墻的建設對抑制隧洞整體下沉、保證隧洞結構整體穩定具有積極作用。

3.3 位移三維云圖分析

根據所得到的隔離墻建成前后該水庫泄水隧洞—接坑—周圍土體水平位移三維云圖可以看出，不同部位橫向位移分布存在較大差異，且深基坑底部橫向位移最大，而基坑兩個底角位移呈對稱分布。在相同部位建設隔離墻后隧洞四周橫向位移明顯減小，也說明隔離墻建成后可有效降低橫向位移，對深基坑周圍土體起到保護作用。

此外，分析隔離墻建成前后泄水隧洞豎向位移三維云圖可看出，隧洞豎向位移基本表現出頂部最大的對稱分布趨勢，且隔離墻建成前后隧洞頂部豎向位移最大值分別為2.38 mm 和2.01 mm，降幅達15.55%，意味著隔離墻的建設能顯著降低隧洞豎向位移，對泄水隧洞及深基坑周圍土體豎向沉降起到保護。

4 結論

綜上所述，隔離墻的建設對于水庫泄水隧洞深基坑開挖施工范圍內土體具有顯著的保護作用，能明顯降低土體橫豎向位移；同時還能對水工隧洞起到保護，隔離墻建成后隧洞不同部位水平位移及整體下沉將明顯降低。該水庫泄水隧洞深基坑開挖過程中按照文章的設計進行了隔離墻設置，此后基坑開挖施工對隧洞結構及周圍土體的擾動完全符合文中相關分析，且隔離墻保護作用的發揮還與其自身結構長度有關，為此必須在分析的基礎上，對隔離墻最優長度展開分析，以更加有效地指導工程實踐。